(57)【要約】  粒子のコーティングを基板に塗布するためのコールド・スプレー装置は、共通の出口において終端する複数の内側通路を有するノズル・アッセンブリを含む。ノズル・アッセンブリは、内側通路と連通している粒子供給部材を含む。粒子供給部材は、内側通路を通って、および、ノズル・アッセンブリから外へ共通の出口を介して基板に向けて流れて加速し、基板の上にコーティングされるように、粒子を供給する。そのうえ、それぞれの内側通路は、レーザーを含み、レーザーは、内側通路を通して伝送されるレーザー・ビームを放出する。レーザーは、粒子および基板のうちの少なくとも１つを加熱し、粒子による基板のコーティングを推進する。
2019537663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子のコーティングを基板に塗布するためのコールド・スプレー装置であって、前記コールド・スプレー装置は、
複数の内側通路を有するノズル・アッセンブリであって、前記複数の内側通路のそれぞれは、ノズル・エントランスに隣接する収束セクションから、スロート部を通って、ノズル出口に隣接する発散セクションへ、フロー方向に延在している、ノズル・アッセンブリと、
前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つを通って流れるように、ならびに、前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つの前記収束セクション、前記スロート部、および前記発散セクションを通過することによって、前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つを通って加速するように、前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路のうちの少なくとも１つへガスを供給するガス供給部材と、
前記複数の内側通路と直接的に連通している粒子供給部材であって、前記粒子供給部材は、前記ガス供給部材によって供給される前記ガスの中に流れるように、および、前記ノズル・アッセンブリから外へ前記ノズル出口を介して前記基板に向けて流れ、前記基板をコーティングするように、前記粒子を供給する、粒子供給部材と、
レーザー・ビームを放出するレーザーであって、前記レーザー・ビームは、前記供給された前記ガスを含有する前記複数の内側通路のそれぞれを通して伝送され、前記レーザーは、前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱し、また、前記粒子による前記基板のコールド・スプレー・コーティングを推進するように、前記基板を加熱する、レーザーと
を含む、コールド・スプレー装置。
【請求項２】
前記複数の内側通路の前記収束セクション、前記スロート部、および前記発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面において、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項３】
前記複数の内側通路の前記収束セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面において、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項４】
前記複数の内側通路の前記スロート部のそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に正方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項５】
前記複数の内側通路の前記発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項６】
前記複数の内側通路の前記収束セクションおよび発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に長方形になっており、前記収束セクションは、第１の方向に実質的に長方形になっており、前記発散セクションは、前記第１の方向に直交する第２の方向に実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項７】
前記複数の内側通路の前記発散セクションのそれぞれは、前記ノズル出口の上流の位置において終端している、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項８】
前記ノズル出口の幅は、前記複数の内側通路のそれぞれの出口の幅の総和に等しい、請求項７に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項９】
前記ノズル・アッセンブリから外へ前記複数の内側通路のそれぞれから流れる前記粒子は、前記隣接する内側通路から外へ流れる前記粒子にオーバーラップする、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１０】
前記オーバーラップは、約１０％よりも大きい、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１１】
前記オーバーラップは、約２０％よりも大きい、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１２】
前記粒子供給部材は、前記ガス供給部材によって供給される前記ガスの中に流れるように、前記発散セクションの中で加速するように、および、前記ノズル・アッセンブリから外へ前記ノズル出口を介して前記基板に向けて加速し、前記基板をコーティングするように、前記粒子を前記発散セクションに直接的に供給する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１３】
前記レーザーが前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱することは、前記発散セクションの中および下流のみにおいて、前記レーザーが前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱することを含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１４】
前記内側通路は、実質的に真っ直ぐな長手方向軸線を有しており、前記レーザー・ビームは、前記長手方向軸線に対して実質的に平行に方向付けられており、また、前記長手方向軸線に同軸に、前記ノズル出口から外へ、前記基板に向けて方向付けられている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１５】
前記内側通路は、ノズル・エントランスを含み、前記長手方向軸線は、前記ノズル・エントランスおよび前記ノズル出口の両方を通って延在しており、前記レーザーは、前記ノズル・アッセンブリに操作可能に連結されており、前記レーザー・ビームが前記ノズル・エントランスを介して前記ノズル・アッセンブリの中へ伝送されるようになっている、請求項１４に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１６】
前記コールド・スプレー装置は、圧力チューブをさらに含み、前記圧力チューブは、前記レーザーと前記ノズル・アッセンブリとの間に配設されており、前記圧力チューブは、前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つと流体連通しており、前記ガス供給部材は、前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つを通って流れるように、および、前記ノズル出口から外へ流れるように、ガスを前記圧力チューブに供給する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１７】
前記粒子供給部材は、前記粒子を前記複数の内側通路の中へ鋭角に導入する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１８】
前記コールド・スプレー装置は、単一のレーザー・ビームを前記レーザーから前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路の中へ伝送する１つまたは複数の光学アッセンブリをさらに含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１９】
前記ガス供給部材が前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つに前記ガスを供給することは、前記ガス供給部材が前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つに前記ガスを選択的に供給することを含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願との相互参照
本出願は、２０１６年１０月１７日に出願された米国特許出願第１５／２９５，０５０号明細書の優先権を主張し、それは、２０１０年１２月３日に出願された米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の一部継続出願であり、それは、２００９年１２月４日に出願された米国仮出願第６１／２６６，６３９号明細書の利益を主張する。上記の出願の開示のすべては、参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
政府の権利
本発明は、米国海軍によって授与された付与番号Ｎ００２４４−０７−Ｐ−０５５３のものでの政府の支援によって行われた。政府は、本発明に所定の権利を有している。
【０００３】
本開示は、コーティングを基板に塗布するための方法および装置に関し、より具体的には、コーティングを大きいエリアに塗布するためのレーザー支援型のコールド・スプレー装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
この章は、本開示に関係する背景情報を提供しており、それは、必ずしも先行技術であるわけではない。また、この章は、本開示の一般的な概要を提供しており、その完全な範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【０００５】
コールド・スプレーは、アディティブ法の一種であり、アディティブ法において、固体粒子のストリームは、キャリア・ガスによってノズルを通して基板に向けて高い速度まで加速される。粒子は、十分な運動エネルギーを有しており、基板との衝突のときに、粒子が、塑性的に変形し、冶金学的に／機械的に基板に結合し、コーティングを形成するようになっている。冶金学的な結合が好適であるが、すべての粒子は、必ずしも冶金学的な方式で結合されなくてもよい。
【０００６】
粒子は、臨界速度まで加速され、コーティングが生成され得るようになっている。この臨界速度は、粒子の特性に依存し得り、また、それには及ばないものの、基板の材料（すなわち、変形可能性、形状、サイズ、温度など）に依存し得る。
【０００７】
粒子の運動エネルギーが、「断熱剪断不安定性」として当技術分野で知られている現象につながる十分なレベルの熱的および歪み（機械的な）エネルギーへ変換されるときに、粒子が基板に付着するということが仮定される。所与の材料の堆積効率は、粒子の温度が所定の程度まで増加させられるにつれて増加させられ、それは、典型的に、キャリア・ガス温度を増加させることによって実現されるということが観察された。また、キャリア・ガス温度は、コールド・スプレー・プロセスにおいて典型的に使用される収束−発散ノズルを通る気体力学に影響を与える。換言すれば、すべてのものが一定のままであるときに、より高いキャリア・ガス温度は、ノズルの発散セクションの中のより高いガス速度をもたらし、そして、それは、より高い粒子速度をもたらすことが可能である。
【０００８】
関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書は、レーザー・ビームをノズルに同軸に発達させることによって、（キャリア・ガス温度から独立して）ノズルの発散セクションの中の粒子温度を増加させるための方法を教示しており、そこでは、教示された長方形ノズル設計は、発散セクションの中の粒子給送方法論とともに、強化された分配、および、粒子とノズルの発散セクションの中のレーザー・ビームとの相互作用を可能にし、粒子の温度を増加させる。換言すれば、参照される関連の技術の教示は、所与のノズルに関して粒子温度および気体力学（速度）を独立して制御するメカニズムを提供した。さらに、レーザー・ビームの一部分は、また、基板へ伝送され、堆積品質を強化する。
【０００９】
コーティングを堆積させるために、コールド・スプレー・ノズルは、典型的に、適切なターゲット距離を維持しながら、基板の上を横断させられる。これは、基板の上の（典型的に、ノズル出口の幅と同様の）小さいトラックに沿ったコーティングを結果として生じさせる。ノズル出口幅よりも大きいエリアを有する基板をコーティングするために、ノズルは、典型的に、ロボットなどのような運動システムの助けによって、ラスター・パターンで、基板の上を複数回走査される。ノズル出口幅は、所与の収束−発散ノズルに関する気体力学要件によって限定され、所望の粒子速度および分配を実現する。換言すれば、所与の入口部温度および圧力を伴う所与のガスに関して、収束セクション、発散セクション、および、２つのセクションを接続するスロート部の幾何学形状は、ガス・フロー挙動を決定し、そして、それは、粒子速度および粒子分布に影響を与える。より大きい基板をコーティングするために、単にノズル断面積を増加させるということは、単純ではない。実用的な用途に関して、必要な流動力学が標準的な産業機器（ガス供給部、ヒーター、パウダー・フィーダーなど）によって経済的に実現され得るように、ノズルの幾何学形状を最適化するということが推奨される。
【００１０】
コールド・スプレー・プロセスに関連付けられる１つの特定の困難性は、下層にある基板表面の上の欠陥から生じる。表面が、２つのコーティング・パス（トラック）の間のギャップまたはうねりなどのような、不完全状態を有しているときに、非連続性／不完全状態は、コーティングが積層するにつれて後続の層の中に発達し続ける可能性がある。したがって、単一パスにおいてより厚い層を構築すること（それは、最終的なコーティングの中のうねりの前兆になる可能性がある）は推奨されない。さらに、変化する表面積を有する円形／円錐形状の物体をコーティングしている間に、コーティング質量が著しく変化するので、拡張的なプロセス最適化が、原点から周辺に向けての堆積厚さ、または、頂点から底面に向けての堆積厚さを管理するために必要とされる。
【００１１】
上述のものから、単一のコールド・スプレー・ノズルによって、変化する表面積を有する大きい基板の上の均一なコーティングが、容易に実現されないということが明らかである。新しい方法およびデバイスが、効率的なコーティング製作のために必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以下の概要は、本開示に独自の革新的な特徴のうちのいくつかの理解を促進させるために提供されており、完全な説明であることを意図されていない。明細書全体、特許請求の範囲、図面、および要約書を全体として考慮することによって、本開示のさまざまな態様の完全な認識が得られ得る。
【００１３】
コールド・スプレー装置は、複雑なツール経路最適化を必要とすることなしに、高い精度および効率によって、複雑な大きい基板をコーティングすることができ、そして、欠陥成長およびその後の仕上げの機械加工動作を排除／最小化するということが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
粒子のコーティングを基板に塗布するためのコールド・スプレー装置であって、コールド・スプレー装置は、複数のノズルを含み、複数のノズルは、アッセンブリ全体のための共通の出口において終端する内側通路を画定するそれぞれのノズルを含む、コールド・スプレー装置が提供される。また、ノズル・アッセンブリは、内側通路と連通している粒子供給部材を含む。粒子供給部材は、内側通路を通って、および、ノズルから外へ共通のノズル出口を介して基板に向けて流れて加速し、基板の上にコーティングされるように、粒子を供給する。そのうえ、それぞれのノズルは、レーザー・ビームを含み、レーザー・ビームは、内側通路を通して伝送され、共通のノズル出口を介して、基板に向けて出て行く。レーザーは、内側通路の中の粒子および基板のうちの少なくとも１つを加熱し、粒子による基板のコーティングを推進する。
【００１５】
随意的に、少なくとも１つの態様において、粒子とノズルの内側通路の中のレーザー・ビームとの相互作用を強化する方法を提供し、それによって、エネルギー吸収を改善することによって、先行技術の１つまたは複数の課題を解決する方法が提供される。これは、ノズルの発散セクションの中に粒子を注入し、粒子をその中に均一に分配させ、したがって、粒子とレーザー・ビームとの相互作用を増加させることによって、レーザー・ビームの後方散乱を最小化することを含む。
【００１６】
いくつかの態様では、それぞれのノズルからの粒子ストリームを実質的に均一な粒子分布密度を有する共通の粒子ストリームへと一体化し、実質的に均一な粒子性質を有する組み合わせられたストリームを基板に向けて方向付けするための方法が、堆積効率および均一性を増加させるために提供される。これは、随意的に、装置アッセンブリの共通の出口から最適な距離においてそれぞれのノズルの内側通路を終端させることを含む。
【００１７】
さらなる別の態様では、複雑な基板をコーティングするための方法が提供される。これは、随意的に、コーティングまたは構築されることとなる基板の幾何学的なプロファイルを模倣する所定の共通の出口幾何学形状を有する、複数のノズルを組織することを含む。さらに、これは、随意的に、基板の上に異なったコーティング質量を実現するために、所望の量の粒子をそれぞれのノズルに供給することを含み、そして、それは、所望の幾何学的なプロファイルまたはコンフォーマリティーを発達させる。
【００１８】
したがって、上述の課題を解決すること、ならびに、高い精度および効率によって複雑な基板をコーティングすることが可能になる。
【００１９】
適用可能性のさらなるエリアが、本明細書に提供される説明から明らかになることとなる。この概要の中の説明および特定の例は、図示の目的だけが意図されており、本開示の範囲を限定することは意図されていない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本明細書で説明されている図面は、選択される実施形態の例示目的のためだけのものであり、すべての可能な実装形態の例示目的のものであるわけではなく、本開示の範囲を限定することは意図されていない。
【００２１】
図面は、必ずしも正確な縮尺になっているわけではなく、いくつかの特徴は、特定のコンポーネンの詳細を示すために、誇張または最小化されている可能性がある。したがって、本明細書で開示されている特定の構造的なおよび機能的な詳細は、限定するものとして解釈されるべきでなく、単に、本発明をさまざまに用いるように当業者に教示するための代表的な根拠として解釈されるべきである。例示的な態様は、詳細な説明および添付の図面から、より完全に理解されるようになるであろう。
【００２２】
【図１】本教示のいくつかの実施形態による、同軸のレーザー・ビームを伴う長方形の収束−発散ノズルの斜視図である。
【図２】本教示のいくつかの実施形態、同軸のレーザー・ビームを伴う長方形の収束−発散ノズルの斜視断面図である。
【図３】本教示のいくつかの実施形態による、円形ディスクの半径方向へのコーティング質量変化の概略図である。
【図４】本教示のいくつかの実施形態による、同軸のレーザー・ビームを伴う長方形の収束−発散マルチノズル・アッセンブリの斜視図である。
【図５Ａ】本教示のいくつかの実施形態による、収束−発散マルチノズル・アッセンブリの平面図である。
【図５Ｂ】線Ｂ−Ｂに沿って見た、図５Ａの収束−発散マルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図５Ｃ】線Ｃ−Ｃに沿って見た、図５Ａの収束−発散マルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図５Ｄ】線Ｄ−Ｄに沿って見た、図５Ａの収束−発散マルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図５Ｅ】線Ｅ−Ｅに沿って見た、図５Ａの収束−発散マルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図６】本教示のいくつかの実施形態による、収束−発散マルチノズル・アッセンブリの斜視断面図である。
【図７】本教示のいくつかの実施形態による、マルチノズル・アッセンブリの収束セクションの斜視断面図である。
【図８】本教示のいくつかの実施形態による、長方形の長軸に沿って見た収束−発散マルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図９】本教示のいくつかの実施形態による、１０ｍｍのターゲット距離における粒子分布密度および速度を示すシミュレーション結果である。
【図１０】本教示のいくつかの実施形態による、１０ｍｍのターゲット距離における最大、平均、および最小粒子速度を示すシミュレーション結果である。
【図１１】本教示のいくつかの実施形態による、１０ｍｍのターゲット距離における長方形のノズル・アッセンブリの長軸に沿って粒子速度分布を示すシミュレーション結果である。
【図１２】本教示のいくつかの実施形態にしたがって実現される概略的なレーザー・ビーム・プロファイルを示す収束−発散マルチノズル・アッセンブリの斜視断面図である。
【図１３】本明細書で開示されているノズル・アッセンブリを用いるブレーキ・ローターの両側をコーティングするためのデバイス配置の斜視図である。
【図１４】本教示のいくつかの実施形態による、１つおよび３つのチャネルが動作させられるときの粒子速度分布および粒子分布マップを示すシミュレーション結果である。
【図１５】本教示のいくつかの実施形態による、別々の圧力チューブがキャリア・ガスをそれぞれの内部通路に給送することを示す、マルチノズル・アッセンブリの収束セクションの斜視断面図である。
【図１６】いくつかの公知の技術による、粒子がすべてのチャネルに軸線方向に注入されたときの粒子速度分布および粒子分布マップを示すシミュレーション結果である。
【図１７】本教示のいくつかの実施形態による、放物線出口プロファイルを備えたマルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図１８】本教示のいくつかの実施形態による、放物線表面のコンフォーマル・コーティングのためのデバイス配置の斜視図である。
【図１９】本教示のいくつかの実施形態による、傾斜した出口プロファイルを備えたマルチノズル・アッセンブリの断面図である。
【図２０】本教示のいくつかの実施形態による、円錐形状の表面のコンフォーマル・コーティングのためのデバイス配置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図の全体を通して、対応するパーツを示している。
【００２４】
ここで、例示的な実施形態が、添付の図面を参照して、より完全に説明されることとなる。
【００２５】
詳述された態様が、本明細書で開示されている。しかし、開示されている態様は、本質的に単に例示的なものに過ぎず、さまざまなおよび代替的な形態で具現化され得るということが理解されるべきである。図は、必ずしも正確な縮尺になっているわけではない。したがって、本明細書で開示されている特定の詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、本発明の任意の態様に関する代表的な根拠として、および／または、本発明をさまざまに用いるように当業者に教示するための代表的な根拠として解釈されるべきである。
【００２６】
本明細書において使用されている専門用語は、単に、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、限定することは意図されていない。本明細書で使用されているように、内容が明確にそうでないことを示していなければ、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、複数形を含むことが意図されており、「少なくとも１つの」を含む。「または」は、「および／または」を意味している。本明細書で使用されているように、「および／または」という用語は、関連の列挙された項目のうちの１つまたは複数の任意のおよびすべての組み合わせを含む。「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／もしくは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／もしくは「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、この明細書において使用されるときに、述べられている特徴、領域、整数、ステップ、動作、エレメント、および／またはコンポーネントの存在を特定しているが、１つもしくは複数の他の特徴、領域、整数、ステップ、動作、エレメント、コンポーネント、および／または、それらのグループの存在または追加を除外しないということがさらに理解されることとなる。「または、それらの組み合わせ」という用語は、先述のエレメントのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを意味している。
【００２７】
別段の定めがない限り、本明細書で使用されているすべての用語（技術的用語および科学的用語を含む）は、この開示が属する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有している。一般に使用される辞書の中で定義されているものなどのような用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と一貫する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において明示的にそのように定義されていない限り、理想化されたまたは過度に形式ばった意味で解釈されることとはならないということがさらに理解されることとなる。
【００２８】
この明細書の全体を通して、刊行物が参照されている場合に、これらの刊行物の開示は、これによって、それらの全体が参照によりこの出願に組み込まれ、この発明が関係する従来技術をより完全に説明する。
【００２９】
最初に図１を参照すると、関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書のさまざまな例示的な実施形態によるコールド・スプレー・ノズル・アッセンブリ１０が図示されている。コールド・スプレー・ノズル・アッセンブリ１０は、より詳細に下記に説明されることとなるように、粒子１７のコーティングを基板に塗布するために使用され得る。
【００３０】
アッセンブリ１０は、実質的に真っ直ぐな長手方向軸線Ｘを有するノズル５を含むことが可能である。図２に示されているように、ノズル５は、軸線Ｘに平行に延在する内側通路２２を画定することが可能である。また、内側通路２２は、その反対側端部において、ノズル・エントランス２２ａおよびノズル出口２２ｃを含むことが可能である（図２）。図２に示されているように、内側通路２２は、ノズル・エントランス２２ａに隣接する収束セクション２１、および、ノズル出口２２ｃに隣接する発散セクション２３を含むことが可能である。より具体的には、収束セクション２１および発散セクション２３の両方は、漸進的にテーパーを付けられ得る。収束セクション２１は、エントランス２２ａから離れる方に移動して細くなっており、発散セクション２３は、出口２２ｃに向けて移動して太くなっている。収束セクション２１は、発散セクション２３に接続され、スロート部２２ｂを画定している（図２）。議論されることとなるように、粒子１７は、内側通路２２を通って流れ、収束セクション２１および発散セクション２３は、通路２２の中の適当な流動場を保証し、粒子１７が基板（図示せず）をコーティングするのに十分な速度で移動するようになっている。
【００３１】
図１に示されているように、ノズル５は、形状が実質的に長方形になっていることが可能である。より具体的には、内側通路２２（図２）は、軸線Ｘに対して垂直にとられた実質的に長方形の断面を有することが可能である。内側通路２２全体は、通路２２の軸線Ｘ全体に沿って、同様の実質的に長方形の断面を有することが可能である。しかし、そのような断面の面積は、収束セクション２１および発散セクション２３が漸進的にテーパーを付けられていることに起因して、軸線Ｘに沿って変化することとなるということが明らかになることとなる。また、内側通路２２および出口２２ｃは、代替的に、正方形形状を含む任意の適切な非円形形状を有することが可能であるということが認識されることとなる。
【００３２】
そのうえ、図１に示されているように、ノズル５は、１つまたは複数の粒子供給入口部１３ａ、１３ｂを含むことが可能である。ノズル５は、任意の数の入口部１３ａ、１３ｂを含むことが可能であり、入口部１３ａ、１３ｂは、随意的に、任意の適切な場所に配設され得る。図１に示されている好適な実施形態では、軸線Ｘの反対側に対称的に配設されている２つの入口部１３ａ、１３ｂが存在している。粒子供給入口部２８ａ、２８ｂ（図２）は、軸線Ｘに対して横断方向にそれぞれ延在することが可能である。たとえば、粒子供給入口部２８ａ、２８ｂは、軸線Ｘに対してプラスの鋭角に、一般的に出口２２ｃに向けてそれぞれ配設され得る。さらに、アッセンブリ１０は、粒子供給部材（図示せず）を含むことが可能である。粒子供給部材は、入口部２８ａ、２８ｂを介してノズル５の内側通路２２と（流体）連通していることが可能である。たとえば、粒子供給部材は、１つまたは複数のチューブを含むことが可能であり、１つまたは複数のチューブは、それぞれ、入口部２８ａ、２８ｂの中に受け入れられ、入口部２８ａ、２８ｂに操作可能に連結されている。したがって、議論されることとなるように、粒子１７は、供給部材から供給され、入口部２８ａ、２８ｂを通って、内側通路２２を通って、および、ノズル出口２２ｃから外へ基板に向けて流れ、粒子１７によって基板をコーティングすることが可能である。
【００３３】
図１に示されているように、アッセンブリ１０は、ガス供給部材１４を含むことが可能である。ガス供給部材１４は、ガス供給源（図示せず）と流体連通していることが可能である。ガス供給源は、ノズル５の内側通路２２を加圧するために、任意の適切なガスを供給することが可能である。そのうえ、アッセンブリ１０は、レーザー供給源１６を含むことが可能である。レーザー供給源１６は、公知のタイプのダイオード・レーザーなどのような、任意の適切なタイプのものであることが可能である。レーザー供給源１６は、随意的に、光ファイバー・ケーブル１５および少なくとも１つまたはそれ以上の（たとえば、ここでは、３つが示されている）光学エレメント２５ａ、２５ｂ、２５ｃ（図２）を含むことが可能である。レーザー供給源１６は、圧力チューブ１１の第１のブランチ１８に操作可能に連結され得り、軸線Ｘと実質的に同軸になるようになっている。議論されることとなるように、レーザー１６は、レーザー・ビーム２９（図２）を放出することが可能であり、レーザー・ビーム２９は、ノズル５の内側通路２２のエントランス２２ａを通して伝送され、および、ノズル５から外へ出口２２ｃを介して基板に向けて伝送される。レーザー・ビーム２９は、軸線Ｘに対して実質的に平行に、および、軸線Ｘに同軸に、基板に向けて方向付けられ得るが、内向きへのまたはＸ軸線から離れる方へのビーム２９のいくらかの程度の広がりが、随意的に好適である可能性がある。レーザー・ビーム２９は、粒子の融点の下方で粒子を加熱することが可能である。いくつかの実施形態では、レーザー・ビーム２９は、発散セクション２３の中および下流のみにおいて、粒子の融点の下方で粒子を加熱することが可能である。
【００３４】
追加的に、アッセンブリ１０は、ハンドリング・デバイスおよびプロセス・コントローラー（図示せず）をさらに含むことが可能である。ハンドリング・デバイスは、ロボット・ハンドリング・デバイスなどのような、任意の適切なタイプのものであることが可能である。コントローラーは、プログラム可能なコンピューターなどのような、任意の適切なタイプのものであることが可能である。コントローラーは、それぞれを動作させるために、レーザー供給源、ハンドリング・デバイス、ガス供給源、および粒子供給源と連通していることが可能である。また、コントローラーは、随意的に、圧力チューブ１１の内側の圧力および温度に関するフィードバックを受け入れるために、圧力チューブ１１と連通していることが可能である。
【００３５】
ここで、本明細書で開示されているコールド・スプレー・ノズルの随意的な動作モードが注目される。コントローラーは、ハンドリング・デバイスを使用して、基板に対して所望の位置へアッセンブリ１０を移動させることが可能である。コントローラーは、レーザー供給源１６の動作の前および間に、ガス供給部材が内側通路２２の中へおよび基板へガスを供給することを引き起こすことが可能である。レーザー１６が動作し始めた後に、コントローラーは、粒子供給部材が粒子１７を供給することを引き起こすことが可能である。粒子１７は、内側通路２２の中の臨界速度まで、または、臨界速度を超えて、ガスによって加速され得り、基板に向けて方向付けされ得る。いくつかの実施形態では、粒子１７を供給する粒子供給部材は、発散セクション２３へ直接的に供給され、ガス供給部材によって供給されるガスの中を流れ、発散セクション２３の中で加速し、また、ノズル・アッセンブリから外へノズル出口を介して基板に向けて加速し、基板をコーティングすることが可能である。レーザー・ビーム２９のエネルギーは、基板に向けての飛行の間の粒子１７を加熱することが可能である。粒子１７は加熱されるので、粒子１７は、粒子１７が基板に衝突するときに、より容易に塑性変形することが可能である。そのうえ、レーザー・ビーム２９のエネルギーは、粒子１７が基板に向けて噴出されるときに、基板を加熱し続けることが可能である。したがって、基板は、より容易に塑性変形することが可能である。ハンドリング・デバイスは、アッセンブリ１０を連続的に移動させ、基板を所定のエリアの上において粒子１７によって均一にコーティングすることが可能である。上記に説明されている動作モードは、単なる例に過ぎず、限定するものとして解釈されるべきではないということが認識されることとなる。
【００３６】
関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の教示が、実質的に長方形のノズル幾何学形状、サイド粒子注入モード、および、同軸のレーザー・カップリングを含み、先行技術と比較して予想外の利益および利点を作り出すということは注目すべきである。内側通路２２（図２）の実質的に長方形の断面に起因して、および、内側通路２２の発散セクションの中の短軸平面（２８ａ、２８ｂ）に沿った適切な場所における粒子の注入に起因して、粒子１７は、内側通路２２を横切ってより均一に分配され得り、より均一な微粒子速度を結果として生じさせ、先行技術システムと比較したときに、基板の上の極めて均一な厚さをもたらす（さらに図９に図示されている）。均一な微粒子速度の重要性は、臨界速度の文脈において認識されるべきである。コールド・スプレーの用途において、粒子は、効果的な堆積のための臨界速度を実現しなければならないということがよく知られている。臨界速度を下回る速度を有する粒子は、ターゲットに冶金学的に結合せず、一方、臨界速度よりもはるかに高い粒子速度は、追加的な利益をまったく提供しないが、より高いエネルギーを消費する。関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の教示は、ノズル出口を横切る均一な粒子分布、および、より低い標準偏差を有する均一な粒子速度の両方の最良の組み合わせを提供するということが認識されることとなる。そのうえ、「内側通路を通して伝送されるレーザー・ビームを放出するレーザー」を有することは、それによって、熱源としての供給ガスから独立して、追加的な熱エネルギーをノズルの中の粒子に提供する。さらに、教示されたレーザー・カップリング方法論は、漸進的な内部反射に起因してノズルの内部通路を模倣するレーザー・ビーム・プロファイルの発達を提供する。効果的なエネルギー伝達は、ノズルの発散セクションの中の均一な粒子分布、および、ビーム形状変調に起因して起こり、それは、レーザー・ビームと粒子との相互作用の最大の機会を提供する。したがって、仕上げられたパーツは、見た目により美しくなることが可能であり、他のパーツにより良好にフィットすることが可能であり、また、現場の焼鈍に起因してより良好な特性を有することが可能である。そのうえ、特許請求されている特定の組み合わせは、先行技術によって取得することができない性能の改善を結果として生じさせる。
【００３７】
上記に参照された関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の教示は、（ｉ）粒子ストリームがターゲットに向けて出現するときの均一な粒子分布プロファイルの発達、（ｉｉ）漸進的な内部反射に起因する、長方形ノズルの内部通路を模倣するレーザー・ビーム・プロファイルの発達、（ｉｉｉ）均一な吸収につながる、レーザー・ビームへの粒子の均一な露出、（ｉｖ）レーザー・オプティクスに損傷を与え得る、供給源に向けてのレーザー・ビームの後方反射がないということ、および、（ｖ）ノズル出口の断面を模倣する、ノズルから外へ出現する残存レーザー・ビームによる、コーティングされた材料の均一な処理を提供するが、コールド・スプレー・プロセスにさらに利益を与えることができるいくつかの未解決の問題が存在しているままである。この一部継続出願の開示の教示は、下記に議論されているような未解決の問題のうちの少なくともいくつかを提供する。
【００３８】
ここで、図３を参照すると、ブレーキ・ローター３０が、上記に説明されているコールド・スプレー・ノズル・アッセンブリ１０によってコーティングされることとなる。コーティングは、ブレーキング表面３１だけに塗布される必要があるということが認識されることとなる。ブレーキング表面３１全体は、随意的に、望まれないエリア３８をコーティングすることを回避しながら、均一なコーティング厚さを保証することとなる複雑で時間のかかるラスター・パターンに続いて、ロボットなどのようなハンドリング・デバイス（図示せず）の助けによって、コールド・スプレー・ノズル・アッセンブリ１０をブレーキング表面３１にわたって移動させることによってコーティングされ得る。代替的に、ローターの回転運動とノズル・アッセンブリの段階的な半径方向の運動との組み合わせは、より簡単で時間のかからないものであることが可能である。所与のコーティング厚さに関して、コーティング・セグメント３２、３４、および３６の質量が著しく変化することとなるということが認識されるべきである。ノズルは一度に小さいトラックしかコーティングすることができないので、所与のトラックにおけるノズルの効果的な滞留時間は、コーティング厚さを均一に維持するために、それが半径方向に沿って段階的に移動するにつれて、かなり変化することとなる。さらに、所望のコーティング厚さは、単一のパスで実現されなくてもよい。その理由は、それが、連続するトラックの間にうねりを残す傾向があることとなるからである。コールド・スプレーにおいて、下層にあるうねり／欠陥は、コーティングが積層するにつれて成長し続ける。要約すれば、拡張的なプロセス最適化が、パーツ３０の上の均一なコーティングを実現するために必要となることとなり、それは、依然として、欠陥のあるコーティング、および、かなりの量の仕上げの機械加工の必要性を回避することができない。とりわけ、欠陥の成長は、そのような大きい表面をコーティングする間に問題がある。
【００３９】
ここで図４を参照すると、マルチノズル・コールド・スプレー装置４０が開示されており、マルチノズル・コールド・スプレー装置４０は、より詳細に下記に説明されることとなるように、基板４６全体を横切って粒子４５の均一なコーティングを塗布することが可能である。粒子ストリーム４５の幅は、随意的に、基板４６の幅と同一になっていることが可能であるが、しかし、それは、均一なコーティングを保証するに十分でない可能性があるということが認識されることとなる。他の重要な粒子ストリーム性質が、均一なコーティングを保証するために必要であり、より詳細に下記に説明されることとなる。さらに、ハンドリング・デバイス（たとえば、ロボット）の助けによって、装置４０は、基板４６の長さに沿って横断させられ、粒子ストリーム４５に面する表面全体をコーティングすることが可能である。代替的に、コーティングを実現するために、装置４０を静止した状態に維持しながら、基板４６が横断させられ得る。
【００４０】
図４に示されているコールド・スプレー装置４０の例示的な実施形態は、ノズル・アッセンブリ４４を含み、ノズル・アッセンブリ４４は、実質的に真っ直ぐな長手方向軸線Ｘを有しており、複数の内部通路をさらに含む。内部通路の数は、少なくとも２つであることが可能であり、随意的に、必要とされるコーティングの幅、および、内部通路の幾何学的な性質に応じて、３つ、４つ、５つ、６つ、または多数であることが可能である。追加的に、これらの内部通路の幾何学的な性質は、大部分において、好適な実施形態２２（図２）を模倣している。さらに、装置４０は、ガス供給部材４８を含むことが可能であり、ガス供給部材４８は、圧力チャンバー４２と操作可能に連通しており、また、装置４０は、複数の粒子供給部材４３ａから４３ｆを含むことが可能であり、複数の粒子供給部材４３ａから４３ｆは、ノズル・アッセンブリ４４の内部通路と操作可能に連通している。異なる場所において軸線Ｘに対して横断方向にとられた装置４０の断面図（図５Ａ）が、図５Ｂ〜図５Ｅに提供されている。圧力チャンバー４２に隣接してとられた断面５７は、テーパーを付けられた５つの入口部５８ａ、５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、および５８ｅを示している。さらに、断面５５は、５つの通路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、および５６ｅを含み、５つの通路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、および５６ｅは、断面５７に示されている入口部よりも実質的に小さくなっている。追加的に、内部通路（５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄおよび５４ｅ）の断面積は、断面５３に示されているように、出口４９に向けてサイズが漸進的に増加している。そのうえ、ノズル出口４９に隣接して、１つだけの実質的に大きい通路５２が存在しており、それは、上記に図示されているすべての通路の融合から結果として生じている。
【００４１】
ノズル・アッセンブリ４４のさらなる詳細が、図６に示されており、図６は、マルチノズル装置４０の対称平面に沿ってとられた断面図６０である。内側通路６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、および６４ｅは、軸線Ｘに対して実質的に平行に延在している。これらの通路は、随意的に、互いに同様になっていることが可能であるが（必ずしも同じであるわけでない）、しかし、ここで示されている好適な実施形態では、それらは、随意的に同一に維持されている。その精神において、１つだけの通路６４ａのさらなる詳細が、下記に議論されており、また、すべての他の通路（６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、および６４ｅ）が同様の性質を所有するということが理解される。内側通路６４ａは、その反対側端部において、ノズル・エントランス６２ａおよびノズル出口６６ａを含むことが可能である。図７に示されているように、内側通路６４ａは、ノズル・エントランス６２ａに隣接する収束セクション７２ａと、ノズル出口６６ａに隣接する発散セクション７５ａとを含むことが可能である。より具体的には、収束セクション７２ａおよび発散セクション７５ａの両方は、漸進的にテーパーを付けられ得る。収束セクション７２ａは、エントランス６２ａから離れる方に移動して細くなっており、発散セクション７５ａは、出口６６ａに向けて移動して太くなっている。収束セクション６２ａは、発散セクション７５ａに接続され、スロート部７３ａを画定している（図７）。粒子は、内側通路６４ａを通って流れ、収束セクション７２ａおよび発散セクション７５ａは、通路６４ａの中の適当な流動場を保証し、粒子が、共通のノズル・アッセンブリ出口６７に進入する前に、十分な速度で移動するようになっている。それぞれの内側通路は、共通の圧力チャンバー６１からの加速するキャリア・ガスを受け入れることが可能であり、または、随意的に、圧力チャンバーは分離され得る。
【００４２】
追加的に、それぞれの内側通路は、複数の粒子供給入口部を含むことが可能である。内側通路は、任意の数の入口部を含むことが可能であり、入口部は、随意的に、任意の適切な場所に配設され得る。図７に示されている好適な実施形態では、通路の反対側に対称的に配設されている、内部通路６４ａのための２つの入口部７４ａ、７４ｂが存在している。粒子供給入口部７４ａ、７４ｂ（図７）は、軸線Ｘに対して横断方向にそれぞれ延在することが可能である。たとえば、粒子供給入口部７４ａ、７４ｂは、軸線Ｘに対してプラスの鋭角に、一般的に出口６６ａ（図６）に向けてそれぞれ配設され得る。さらに、アッセンブリ４０は、粒子供給部材（図示せず）を含むことが可能である。粒子供給源は、粒子供給部材４３ａから４３ｆを介してノズルの内側通路と（流体）連通していることが可能である。たとえば、粒子供給部材は、１つまたは複数のチューブを含むことが可能であり、１つまたは複数のチューブは、入口部の中に受け入れられ、入口部に操作可能に連結されている。したがって、議論されることとなるように、粒子４５は、供給源から供給され、入口部７４ａ、７４ｂを通って、内側通路６４ａを通って、および、ノズル出口６６ａから外へ基板に向けて流れ、粒子４５によって基板をコーティングすることが可能である。
【００４３】
そのうえ、装置アッセンブリ４０は、レーザー供給源４１を含むことが可能である。レーザー供給源４１は、公知のタイプのダイオード・レーザーなどのような、任意の適切なタイプのものであることが可能である。ノズル・アッセンブリ４４のそれぞれの内側通路は、随意的に、レーザー・ビームを含むことが可能である。レーザー供給源４１は、随意的に、光ファイバー・ケーブル４７を含むことが可能である。図６に示されている好適な実施形態では、ファイバー６５は、供給源（図示せず）から１つのレーザー・ビームを取り入れ、１つのレーザー・ビームは、随意的に、半透明のミラー・アッセンブリ６８ａを通して複数のレーザー・ビームへとスプリットされ得る。半透明のミラー・アッセンブリは、レーザー・ビームの所望の割合がそれぞれのミラーを通して伝送されることを可能にし、軸線Ｘの実質的に平行の方向に残りの割合を反射する、任意の公知のタイプのものであることが可能である。その後に、レーザー・ビームのそれぞれの反射された割合は、少なくとも１つまたは複数の（たとえば、ここでは２つが示されている）光学エレメント（たとえば、レンズ）アッセンブリ６８ｂ、６８ｃ（図６）を通して処理される。レーザー供給源４１は、圧力チューブ４２の第１のブランチ６９（図６）に操作可能に連結され得り、すべてのレーザー・ビームを軸線Ｘと実質的に同軸に維持するようになっている。それを通るレーザー・ビーム伝播についてのさらなる詳細が、下記に提供されることとなる。
【００４４】
ここで図８を参照すると、装置アッセンブリ８０のそれぞれの内側通路は、随意的に、出口８３から離れるように８５において終端することが可能である。便宜上、内側通路のスロート部８１（発散セクション）から終端ポイント８５の間の距離は、ＭＬとして定義され、内側通路のスロート部８１から出口８３への距離は、ＤＬとして定義される。それぞれの内側通路の発散角度は、軸線Ｘ方向への内側通路の漸進的なテーパーを維持するために、一定のままであることとなるが、しかし、それぞれの内側通路の投影された出口幅８２は、ＤＬに依存することとなるということが認識されることとなる。さらに、装置アッセンブリ８０の合計最大開口部幅８７は、すべてのチャネルの投影された出口幅８２の総計であることとなる。さらに、ノズル・オーバーラップという用語が、［（ＤＬ−ＭＬ）／ＤＬ］＊１００として定義されている。ＭＬがＤＬに等しいときには、すなわち、それぞれの内部通路が出口８３において終端するときには、０％オーバーラップを結果として生じる。それぞれの内部通路同士の間の壁部は、有限の寸法を有することとなり、したがって、０％オーバーラップを有するノズル・アッセンブリを製作することは実用的に困難であるということが認識されることとなる。たとえば、仮に、複数の個々のノズル・アッセンブリ１０（図１）が物理的に接合されたとすれば、それは、ＭＬがＤＬよりも大きいという状況をもたらすこととなり、マイナスのオーバーラップを結果として生じさせる。図８に示されている好適な実施形態８０では、オーバーラップは、随意的に、０．５％から５０％の間にあることが可能である。微粒子性質に対するオーバーラップの影響、および、結果として生じるコーティングは、より詳細に下記に議論されることとなる。
【００４５】
本発明の教示の特定の利益を実証するために、異なるオーバーラップ・パーセンテージに関するフロー・シミュレーションが、下記に提示されている。シミュレーションは、フロー・シミュレーション・ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ  １６．０を用いて実施された。以下の条件（典型的に我々のプロセスにおいて使用される）が、それぞれのシミュレーション・ケースにおいて用いられた：ガス圧力−５００ｐｓｉ、ガス温度−６００℃、パウダー・フィード・レート−内側通路当たり３０ｇ毎分、粒子サイズ−１５μｍ、材料−スチール、ＤＬ−１０．９インチ、および発散角度（８２）−１．９０５度。さらに、フロー・シミュレーションに関して、連結された圧力速度、ならびに、密度および運動量に関する迅速離散化を備えた、レイノルズ応力モデルが用いられた。追加的に、確率的トラッキングを備えたＤＰＭの粒子注入スキーム（ランダム・ウォーク・モデル）が採用された。そのうえ、関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の教示は、先行技術と比較して予想外の利益および利点を作り出す、実質的に長方形内部通路、短軸平面に沿ったサイド粒子注入、および、同軸のレーザー・カップリングを含み、それは、シミュレーションの中に組み込まれた。
【００４６】
図９を参照すると、異なるオーバーラップ・パーセンテージに関して、ノズル・アッセンブリ出口８３（図８）から１０ｍｍ離れて位置しているターゲット基板の上の粒子衝突マップ９０が提示されている。さらに、対応する粒子速度の大きさも、グレー・スケール９７にしたがってこのマップの上に重ね合わせられており、より明るい陰影は、より高い速度を示しており、一方、より暗い陰影は、より低い速度を示している。ここで、複数の（ここでは、５つの）ノズル１０を単純に隣接させることによって実現される、−２０％オーバーラップのケースを参照すると、粒子分布マップの中にかなりのギャップ９２が観察される。これらのギャップは、ターゲットのそれらのエリアの上にコーティングが形成されないこととなるということを示している。さらに、ゾーン９１が注目され、ゾーン９１は、それらのエリアの中の粒子の極めて均一な分配を示す、粒子衝突を記録している。さらに、マップの大半におけるより明るい陰影は、また、かなりの数の粒子が、それぞれのパッチ（９１）の縁部のものを除いて、より高い均一な速度を実現したということを示している。コールド・スプレー開発者コミュニティーは、従来から、最大堆積効率をもたらす粒子の最大数に関して、より高い均一な速度（ターゲットにおける粒子付着を実現するために必要とされる臨界速度を上回る）を実現することを試みてきた。さらに、一般的に、軸線方向の注入が最大粒子速度を提供すると考えられている。しかし、当業者は、通常、図２に示されているような発散セクションの中のサイド注入によって、高い粒子速度および均一な分配プロファイルを得るかなりの数の粒子を予期しないこととなる。関連の米国特許出願第１２／９５９，５２３号明細書の教示は、サイド粒子注入モードとともに実質的に長方形の内部通路幾何学形状を含み、従来の知恵とは対照的な結果をもたらすということが認識されることとなる。下記に実証されることとなるように、軸線方向の注入は、そのような均一な粒子速度、および、ノズル開口部全体を横切る均一な分配を提供しない可能性がある。−２０％のオーバーラップに関して、隣接する粒子の速度（より暗い陰影）が極め低くなっており、それらはターゲットと結合することを予期されないので、コーティングされていないエリア９２は、粒子衝突を有しないエリアよりも多くなることが予期されるということが認識されることとなる。
【００４７】
さらに、オーバーラップが０％であるときに、粒子マップは均一なカバー率を示しているが、著しく低い速度を有するゾーン９３が存在しており、コーティングがそれらのエリアに形成されることとならないということが予想される。これは、図１０からさらに立証され、図１０は、異なるオーバーラップ・パーセンテージに関して、最大、平均、および最小の粒子速度を提供している。このプロットから見られるように、最も低い粒子速度（１０６）は、０％オーバーラップに関して実現される。そのうえ、１０％オーバーラップによって、より低い速度を有する粒子（より暗い陰影）のかなりの低減があり、一方、２０％オーバーラップにおいて、ほとんどすべての粒子が、より高い均一な速度（より明るい陰影）を示している。追加的に、３０％オーバーラップにおいて、粒子速度陰影の特定の改善は観察されないが、しかし、粒子衝突ゾーンの長さが実質的に低減される。粒子衝突ゾーンの長さの重要性は、衝突する粒子が、必要とされる臨界速度および分配の均一性を有するという条件で、それが長ければ長いほど、より多くのターゲット・エリアが、装置４０（図４）の単一の横断でコーティングされ得るということである。したがって、所定のポイントを超えるオーバーラップは、追加的な利益を提供することができないが、他方では、望まれない可能性のあるより厚くかつより狭いコーティングにつながる可能性がある。最適なオーバーラップ・パーセンテージに対するさらなる洞察が、図１１に示されている粒子速度分布マップから得られ得る。認識されることとなるように、最良のコーティング結果に関して、すべての粒子が、堆積させられている材料の臨界速度よりも高い速度を得るということが望ましい。しかし、すべての粒子が臨界速度よりも高い速度になる状態を得ることは、実用的に困難である。換言すれば、所与のコールド・スプレー・ノズルにおいて、臨界速度を得ることができないいくつかの粒子が常に存在することとなるが、しかし、臨界速度よりも高い速度を有する最大数の粒子を提供することが、常に設計目標である。さらに、これらの粒子が粒子ストリームを横切って均一に分配され、均一なコーティングが製作され得るようになっているということも望まれる。その背景とともに、図１１を参照すると、−２０％オーバーラップにおいて、臨界速度１１２よりも高い速度を得るかなりの数の粒子が存在しているということが観察される。しかし、２つの粒子ストリーム１１４の間の領域では、粒子が存在せず、明らかに、コーティングがそのゾーンの中に形成されないこととなる。さらに、０％オーバーラップにおいて、臨界速度１１２よりも高い速度を得るかなりの数の粒子が存在しているが、しかし、２つの粒子ストリーム１１５の間の領域は、粒子を見ることができるが、所望の臨界速度１１２よりも低い速度を有している。結果として、コーティングがゾーン１１５の中に形成することは予期されない。それとは対照的に、１０％オーバーラップにおいては、２つの粒子ストリーム１１６の間の領域の中に多くの粒子が存在しており、それらは、臨界速度１１２よりも高い速度を所有しており、その領域の中にコーティングを形成することを予期される。オーバーラップが２０％まで成長するにつれて、臨界速度１１２よりも高い速度を有する粒子の数が、領域１１７の中でかなり成長し、粒子ストリームを横切る全体的に良好なコーティングが予期される。さらに、３０％オーバーラップによって、粒子ストリームの幅が縮小するが、領域１１８の中の、臨界速度よりも高い速度を有する粒子の数は、それ以上増加しないように見えた。したがって、３０％オーバーラップから、追加される利益は予期されず、他方では、それは、コーティング幅を低減させる観点から有害である可能性がある。したがって、好適なオーバーラップは、随意的に、１０％から３０％の間にある可能性があるが、それは、材料の臨界速度に応じて、はるかに低い可能性がある。たとえば、１０のオーバーラップは、その臨界速度が１１２よりも実質的に低い材料に関して、領域１１５の中の良好な粒子の十分な数を有する可能性がある。
【００４８】
ここで、図１２を参照すると、レーザー供給源４１は、レーザー・ビーム１２４ａを提供することが可能であり、レーザー・ビーム１２４ａは、ノズル４４の内側通路６４ａ（図６）のエントランス６２ａ（図６）を通して伝送され、および、内側通路６４ａから外へ出口６６ａを介して基板に向けて伝送される。レーザー・ビーム１２４ａは、軸線Ｘに対して実質的に平行に、および、軸線Ｘに同軸に、基板に向けて方向付けられ得るが、軸線Ｘに同軸に、基板に向けて方向付けられ得るが、内向きへのまたはＸ軸線から離れる方へのビーム１２４ａのいくらかの程度の広がりが、随意的に好適である可能性がある。レーザー吸収は、ライン・オブ・サイト・プロセス（ｌｉｎｅ  ｏｆ  ｓｉｇｈｔ  ｐｒｏｃｅｓｓ）である。中央のレーザー・ビーム１２４ａが内側通路を通過するために、レーザー・ビームは、内側通路のスロート部６３ａ（図６）においてまたはその周りにおいて、最小寸法を実現しなければならず、それは、レーザー・ビームがスロート部の近くでの最大パワー密度（合計パワー／ビーム断面積）を実現するということを意味している。当業界で一般に実践されているように、粒子がスロート部６３ａを通して軸線方向に注入された場合には、粒子ストリームも、レーザー・ビームと同時にスロート部を通過しなければならない。結果として、粒子は、スロート部におけるレーザー・ビームの大部分を遮断することとなり、後方反射、ビームひずみ、および不均一な吸収につながる。後方反射は、オプティクス１２１ａ、１２２ａ、１２３ａに損傷を与える可能性がある。本発明のスロート部を越えた（すなわち、発散セクションの中の）７４ａおよび７４ｂ（図７）を介したサイド注入スキームは、その焦点を越えた位置で、および、内側通路の発散セクションの中で、レーザー・ビームが粒子と相互作用することを可能にする。内側通路の発散セクションの中のレーザー・ビームの任意の散乱された割合は、スロート部６３ａを介してオプティクスへ戻るようには進行しないこととなる。そのうえ、スロート部を越えた内側通路の漸進的な発散、および、実質的に長方形の断面に起因して、前方散乱および複数の内部反射が推進されることとなり、内部通路を模倣するレーザー・ビーム・プロファイル１２５ａにつながる。正味の結果は、（ａ）レーザー・ビームへの粒子の均一な露出（それは、均一な吸収につながる）、および、（ｂ）供給源に向けてのレーザー・ビームの後方反射（それは、レーザー・オプティクスに損傷を与える可能性がある）がないということである。トップ・ハット分布を有する長方形プロファイルへと変換するガウシアン強度分布を有する円形ビーム断面が、粒子注入スキーム、ノズル形状、および、ノズルとのレーザー・カップリングのこの特定の組み合わせによって引き起こされる。同じ利益が、図１２に示されている好適な実施形態１２０の中のすべての他の内部通路を通って伝送するすべての他のレーザー・ビームに生じることが可能である。共通の出口通路６７（図６）は、それぞれの内部通路のように実質的に長方形の形状をとるということが認識されることとなる。出口６６ａを介してそれぞれの内側通路から発せられるすべての変調されたレーザー・ビームは、単一のビーム１２６へとさらに散乱および変調することが可能であり、単一のビーム１２６は、共通の出口通路６７の断面プロファイルを模倣し、それによって、ノズル出口４９（図４）から外へ出現する残存レーザー・ビームによる、コーティングされる材料の均一な処理を引き起こす。
【００４９】
図１３を参照すると、実施形態１３０は、ブレーキ・ローターの両方のブレーキング表面を同時にコーティングするために利用され得る。それは、２つのマルチノズル・コールド・スプレー装置１３４ａおよび１３４ｂを含む。装置１３４ｂは、適切な場所に静止した状態で維持され、モーター１３８によってブレーキ・ローターを回転させながら、表面１５２全体を同時にコーティング１３６することが可能である。先に議論されているように、コーティング質量は、半径方向に沿って著しく変化することとなる。したがって、注入される粒子の質量は、装置１３４ｂの内側のチャネルから最も外側のチャネルに向けて漸進的に変化することが可能である。さらに、それぞれのチャネルを通過するビーム・パワーは、コーティングの単位質量当たり均等の熱エネルギーを提供するように、漸進的に変化することが可能である。これは、レーザー供給源４１（図１２）の中に使用されている適当な光学エレメントによって実現され得る。したがって、ラスター・マークおよび関連の欠陥のない均一なコーティングが、迅速に製作され得る。
【００５０】
マルチノズル・コールド・スプレー装置４０は、ラスター・パターンおよび欠陥なしに大きいエリアをコーティングすることが可能であるが、それは、また、単一のノズル１０によって取得され得るものと同様のコーティングを製作するために使用され得る。図１４は、装置４０が異なるモードで動作されたときの、シミュレートされた粒子分布マップ、および、対応する粒子速度分布マップを提示している。１０％オーバーラップが、これらのシミュレーションにおいて考えられた。粒子およびキャリア・ガスが１つの内部通路だけの中に注入されたときに（それは、１つの単一のノズル１０を動作させることと同等である）、粒子分布マップ１４５が取得された。単一のチャネル・モードで装置を走らせるために、キャリア・ガスは、内部通路が共通の圧力チャンバー７１からキャリア・ガスを受け入れるので使用中でないチャネルを通って流れ続けることとなるということが認識されることとなる。代替的に、圧力チャンバー７１は、それぞれの内部通路に別々に給送するために分離され得る。図１５を参照すると、内部通路６４ａは、随意的に、圧力チューブ１５１ａからキャリア・ガスを受け入れることが可能であり、圧力チューブ１５１ａは、壁部１５２ａによって近隣の圧力チューブから隔離されている。ノズル・アッセンブリ４０の対称的な半分の部分１５０の部分図だけが、図１５に示されているということが認識されることとなる。さらに、圧力チューブ１５１ａは、制御弁１５３ａを介してガス供給源と流体連通している。したがって、それぞれの内部通路（図６の６４ａ、６４ｂ、６４ｃ、６４ｄ、および６４ｅ）は、随意的に、その対応する圧力チューブからキャリア・ガスを受け入れることが可能であり、その対応する圧力チューブは、壁部によってその近隣の圧力チューブから隔離されている。さらに、それぞれの圧力チューブは、その対応する制御弁を介してガス供給源と流体連通している。粒子およびキャリア・ガスが３つの隣接する内部通路だけを通して注入すされるときに、粒子分布マップ１４４（図１４）が取得された。対応する粒子速度分布が、マップ１４３および１４２に提示されている。見ることができるように、粒子分布マップに対する共通の出口ノズル６７（図６）の影響（すなわち、コーティングの幅）は、重大ではない。すべての５つの内部通路にキャリア・ガスを供給するが、３つの隣接する内部通路だけに粒子を給送することによって、さらなるシミュレーションが実施された。マップ１４１において見られるように、臨界速度１４６を上回る速度を所有する粒子の数が著しく増加した。しかし、粒子分布マップは、著しく１４４と異なることはなかった。したがって、材料堆積効率は、このモードにおいて、著しく増加され得る。
【００５１】
先に議論されているように、軸線方向の注入は、この開示の中に提供されるようなサイド注入と比較して、より高い粒子速度を提供すると考えられる。粒子速度および分配に対するマルチノズル・コールド・スプレー装置４０への軸線方向の粒子注入の影響を実証するために、上記に説明されている手順を利用するシミュレーションが実施された。ここで、図１６を参照すると、ターゲット粒子分布マップ１６０’は、多くの粒子を伴うゾーン１６１と、わずかな粒子を伴うゾーン１６２とから構成される、かなり不均一な分配を示している。さらに、粒子速度分布マップ１６２’’は、いくつかの粒子は臨界速度１６６よりも著しく高い速度１６４を実現したが、それらの割合は低かったということを示している。大きい割合の粒子１６３は、臨界速度１６６よりも低い速度を示した。さらに、グラフ１６０’’’から、軸線方向の注入に関する最大粒子速度１６７は、サイド注入のケースよりも高かったが、平均粒子速度１６８は、軸線方向の注入のケースに関してわずかに低かったということが見られる。追加的に、最大粒子速度と最小粒子速度との間の広がりは、軸線方向の注入のケースに関して、最大となっていた。ここで開示されているようなマルチノズル・コールド・スプレー装置４０は、最も均一な粒子分布、および、粒子速度の最小の広がり（標準偏差）を提供し、結果として生じるコーティングに有益に影響を与えるということが認識されることとなる。
【００５２】
図１７を参照すると、マルチノズル・コールド・スプレー装置１７０は、放物線プロファイル１７２を有する共通の出口１７４から構成されている。すべての内部通路が同じままである場合に、オーバーラップは、放物線に沿って変化することとなる。最適な微粒子分配および速度性質を取得するために、このオーバーラップは調節され得る。放物線表面１８４をコーティングするためにそのようなノズルを使用することが、図１８に示されている。したがって、そのような装置は、また、放物線物体を構築するために使用され得る。別のマルチノズル・コールド・スプレー装置１９０が図１９に示されており、それは、テーパーを付けられている出口１９２を含むことが可能である。また、この装置は、変化するオーバーラップを有することとなり、最適なオーバーラップは、良好な堆積を保証するように選択される必要がある。図２０は、コーティング質量が半径方向に変化する円錐形状の表面２０６をコーティングする際の、そのような装置の使用を示しており、それは、粒子給送を変化させることによって調節され得る。さらに、テーパーを付けられたノズル出口は、固定されたターゲット距離を保証することが可能である。追加的に、装置２００は、円錐形状のプロファイル２０４を有する物体を構築するために使用され得る。したがって、多くの異なる共通の出口ノズル・プロファイルが、異なる堆積プロファイルを実現するために採用され得る。また、これは、随意的に、基板の上に異なったコーティング質量を実現するために、所望の量の粒子をそれぞれのノズルに供給することを含むことが可能であり、そして、それは、所望の幾何学的なプロファイルまたはコンフォーマリティーを発達させる。
【００５３】
本発明の態様が図示および説明されてきたが、これらの態様が本発明の可能な形態を図示および説明しているということは意図されていない。むしろ、本明細書の中で使用されている語句は、限定というよりもむしろ説明の語句であり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更が行われ得るということが理解される。
【００５４】
本発明のさまざまな修正例は、本明細書で示されて説明されているものに加えて、上記の説明の当業者に明らかになることとなる。また、そのような修正例は、添付の特許請求の範囲の中に入ることが意図されている。
【００５５】
すべての試薬が、別段の定めがない限り、当技術分野で公知の供給源によって取得可能であるということが認識される。
【００５６】
実施形態の先述の説明は、図示および説明の目的のために提供されてきた。それは、徹底的であることを意図されておらず、または、本開示を限定することを意図されていない。特定の実施形態の個々のエレメントまたは特徴は、一般的に、特定の実施形態に限定されるのではなく、適用可能な場合には、相互交換可能であり、また、具体的には示されていない場合または説明されていない場合にも、選択された実施形態において使用され得る。また、それは、多くの方式で変化させられ得る。そのような変形例は、本開示からの逸脱として見なされるべきではなく、すべてのそのような修正例は、本開示の範囲の中に含まれることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年6月18日(2019.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子のコーティングを基板に塗布するためのコールド・スプレー装置であって、前記コールド・スプレー装置は、
複数の内側通路を有するノズル・アッセンブリであって、前記内側通路のそれぞれは、ノズル・エントランス、ノズル出口、収束セクション、発散セクション、および、前記収束セクションと前記発散セクションとの間のスロート部を含み、前記複数の内側通路のそれぞれは、前記ノズル・エントランスに隣接する前記収束セクションから、スロート部を通って、前記ノズル出口に隣接する前記発散セクションへ、フロー方向に延在しており、前記複数の内側通路は、前記ノズル・アッセンブリから外への共通の出口を共有しており、前記ノズル・アッセンブリは、前記複数の内側通路のそれぞれ同士の間に壁部を含み、前記壁部のそれぞれは、前記共通の出口に向けて長手方向に延在した状態になっており、前記壁部のそれぞれは、前記内側通路のそれぞれの前記スロート部から、前記内側通路のそれぞれの終端ポイントへ延在している、ノズル・アッセンブリと、
前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路を通って流れるように、ならびに、前記複数の内側通路のそれぞれの前記収束セクション、前記スロート部、および前記発散セクションを通過することによって、前記複数の内側通路のうちの前記少なくとも１つを通って加速するように、前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路へ、供給されたガスを提供するガス供給部材と、
前記複数の内側通路と直接的に連通している粒子供給部材であって、前記粒子供給部材は、前記ガス供給部材によって供給される前記ガスの中に前記粒子を流すように、および、前記ノズル・アッセンブリから外へ前記共通の出口を介して前記基板に向けて前記粒子を流し、前記基板をコーティングするように、前記粒子を前記発散セクションへ直接的に供給する、粒子供給部材であって、前記複数の内側通路のそれぞれは、前記内側通路の前記スロート部と前記内側通路の前記終端ポイントとの間の距離として、ＭＬ距離を定義し、前記ノズル・アッセンブリは、前記内側通路の前記スロート部と前記共通の出口との間の距離として、ＤＬ距離を定義し、前記複数の内側通路のそれぞれの前記終端ポイントが前記共通の出口から離れている距離が、オーバーラップを定義している、粒子供給部材と、
レーザー・ビームを放出するレーザーであって、前記レーザー・ビームは、前記供給された前記ガスを含有する前記複数の内側通路のそれぞれを通して伝送され、前記レーザーは、前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱し、また、前記粒子による前記基板のコールド・スプレー・コーティングを推進するように、前記基板を加熱する、レーザーと
を含む、コールド・スプレー装置。
【請求項２】
前記複数の内側通路の前記収束セクション、前記スロート部、および前記発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面において、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項３】
前記複数の内側通路の前記収束セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面において、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項４】
前記複数の内側通路の前記スロート部のそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に正方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項５】
前記複数の内側通路の前記発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項６】
前記複数の内側通路の前記収束セクションおよび発散セクションのそれぞれは、前記内側通路の長手方向軸線に対して垂直方向におよび横断方向に交差する断面平面に対して、実質的に長方形になっており、前記収束セクションは、第１の方向に実質的に長方形になっており、前記発散セクションは、前記第１の方向に直交する第２の方向に実質的に長方形になっている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項７】
前記複数の内側通路の前記発散セクションのそれぞれは、前記共通の出口の上流の位置において終端している、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項８】
前記共通の出口の幅は、実質的に、すべての前記複数の内側通路のすべてのノズル出口の幅の総和以上になっている、請求項７に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項９】
前記オーバーラップは、約１０％よりも大きい、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１０】
前記オーバーラップは、約２０％よりも大きい、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１１】
前記粒子供給部材は、前記ガス供給部材によって供給される前記ガスの中に前記粒子を流すように、前記発散セクションの中で前記粒子を加速させるように、および、前記ノズル・アッセンブリから外へ前記共通の出口を介して前記基板に向けて前記粒子を退出させ、前記基板をコーティングするように、前記粒子を前記発散セクションに直接的に供給する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１２】
前記レーザーが前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱することは、前記発散セクションの中および下流のみにおいて、前記レーザーが前記粒子の融点の下方で前記粒子を加熱することを含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１３】
前記内側通路は、実質的に真っ直ぐな長手方向軸線を有しており、前記レーザー・ビームは、前記長手方向軸線に対して実質的に平行に方向付けられており、また、前記長手方向軸線に同軸に、前記共通の出口から外へ、前記基板に向けて方向付けられている、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１４】
前記内側通路は、ノズル・エントランスを含み、前記長手方向軸線は、前記ノズル・エントランスおよび前記ノズル出口の両方を通って延在しており、前記レーザーは、前記ノズル・アッセンブリに操作可能に連結されており、前記レーザー・ビームが前記ノズル・エントランスを介して前記ノズル・アッセンブリの中へ伝送されるようになっている、請求項１３に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１５】
前記コールド・スプレー装置は、圧力チューブをさらに含み、前記圧力チューブは、前記レーザーと前記ノズル・アッセンブリとの間に配設されており、前記圧力チューブは、前記複数の内側通路と流体連通しており、前記ガス供給部材は、前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路を通って流れるように、および、前記共通の出口から外へ流れるように、ガスを前記圧力チューブに供給する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１６】
前記粒子供給部材は、前記粒子を前記複数の内側通路の中へ鋭角に導入する、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１７】
前記コールド・スプレー装置は、単一のレーザー・ビームを前記レーザーから前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路の中へ伝送する１つまたは複数の光学アッセンブリをさらに含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【請求項１８】
前記ガス供給部材が前記ノズル・アッセンブリの前記複数の内側通路に前記ガスを供給することは、前記ガス供給部材が前記複数の内側通路に前記ガスを選択的に供給することを含む、請求項１に記載のコールド・スプレー装置。
【国際調査報告】
2019537663.tif 000027
2019537663.tif 000028